JP6505232B2 - Composite powder for use in lithium ion battery anodes, method of preparing such composite powder, and method of analyzing such composite powder - Google Patents
Composite powder for use in lithium ion battery anodes, method of preparing such composite powder, and method of analyzing such composite powder Download PDFInfo
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Description
本発明は、リチウムイオンバッテリのアノードにおいて使用するための複合粉末、このような複合粉末を調製する方法、及びこのような複合粉末を分析する方法に関する。 The present invention relates to composite powders for use in the anode of lithium ion batteries, methods of preparing such composite powders, and methods of analyzing such composite powders.
リチウムイオン(Liイオン)バッテリは、現在最も性能のよいバッテリであり、携帯用電子機器では既に標準となっている。更に、これらバッテリは、自動車及び蓄電などの他の産業でも既に浸透しており、急速に地歩を得ている。このようなバッテリが実現する利点は、良好な電力性能と高エネルギー密度との組み合わせである。 Lithium ion (Li ion) batteries are currently the best performing batteries and are already standard in portable electronic devices. Furthermore, these batteries are already in widespread use in other industries such as automobiles and storage, and are rapidly gaining ground. The advantage that such batteries realize is a combination of good power performance and high energy density.
Liイオンバッテリは、典型的には、多数のいわゆるLiイオンセルを含み、更にそのセルは、電解液に浸漬されている正極(カソード)、負極(アノード)及びセパレータを備える。携帯用途に最も頻繁に用いられるLiイオンセルは、カソード用のリチウムコバルト酸化物又はリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物及びアノード用の天然又は人造の黒鉛などの電気化学的活物質を用いて開発される。 A Li-ion battery typically comprises a number of so-called Li-ion cells, which further comprise a positive electrode (cathode), a negative electrode (anode) and a separator which are immersed in the electrolyte. The most frequently used Li-ion cells for portable applications are developed using electrochemically active materials such as lithium cobalt oxide or lithium nickel manganese cobalt oxide for the cathode and natural or man-made graphite for the anode.
バッテリの性能、特に、バッテリのエネルギー密度に影響を与える重要な限定要因の1つは、アノードにおける活物質であることが知られている。したがって、エネルギー密度を改善するために、過去数十年間にわたって、例えば、スズ、アルミニウム及びケイ素に基づく新たな電気化学的活物質が研究され、開発された。このような開発は、ほとんどが、使用中にLiが取り込まれる際に、Liで上記の該活物質を合金化するという原理に基づいている。 It is known that one of the important limiting factors affecting battery performance, in particular the energy density of the battery, is the active material at the anode. Thus, new electrochemically active materials based on, for example, tin, aluminum and silicon have been studied and developed over the past decades to improve energy density. Such development is mostly based on the principle of alloying the above active material with Li when Li is incorporated during use.
最良の候補は、ケイ素であると考えられるが、その理由は、4200mAh/g(重量測定)又は2200mAh/cm3(容積測定)の理論容量を得ることができ、これら容量は、黒鉛(372mAh/g)だけでなく、他の候補よりもはるかに大きいためである。 The best candidate is considered to be silicon, because the theoretical capacities of 4200 mAh / g (by weight) or 2200 mAh / cm 3 (by volume) can be obtained, these capacities are g) not only because it is much larger than other candidates.
なお、この文書全体を通して、ケイ素とは、ゼロ価状態の元素Siを意味することを意図する。Siという用語は、ゼロ価であるか又は酸化されているかといったその酸化状態にかかわらず、元素Siを示すために用いられる。 Throughout this document, silicon is intended to mean the element Si in the zero-valent state. The term Si is used to denote elemental Si regardless of its oxidation state, whether it is zero-valent or oxidized.
しかし、アノードにケイ素系電気化学的活物質を使用することの1つの問題点は、充電中の体積膨張が大きいことであり、この体積膨張は、リチウムイオンが、例えば、合金化又は挿入によってアノードの活物質に完全に取り込まれたとき(このプロセスは、リチオ化と呼ばれることが多い)、300%にもなる。Liの取り込み中のケイ素系物質の体積膨張が大きいことによって、ケイ素中の負荷が誘導されることがあり、これは、後に、ケイ素材料の機械的劣化につながる場合がある。 However, one problem with using a silicon-based electrochemically active material for the anode is that the volume expansion during charging is large, and this volume expansion is due to lithium ions, for example, due to alloying or insertion. When it is completely incorporated into the active material (this process is often referred to as lithiation), it is as high as 300%. The large volumetric expansion of the silicon-based material during the incorporation of Li can induce loading in the silicon, which can later lead to mechanical degradation of the silicon material.
定期的に繰り返されるLiイオンバッテリの充放電中、ケイ素電気化学的活物質が繰り返し機械的に劣化することによって、バッテリの寿命が許容できないレベルにまで短くなる場合がある。 Repeated mechanical degradation of the silicon electrochemically active material during periodically repeated charging and discharging of the Li-ion battery may shorten the battery life to unacceptable levels.
ケイ素の体積変化の有害効果を軽減する試みにおいて、典型的には500nmよりも小さく、好ましくは150nmよりも小さい平均サイズを有するサブミクロン又はナノサイズのSiドメインまでケイ素材料のサイズを低減し、これらを電気化学的活物質として使用することによって、実行可能な解決策を証明できることが、多くの調査研究によって示された。 In an attempt to reduce the detrimental effects of silicon volume change, these materials reduce the size of silicon materials to submicron or nanosized Si domains, typically with an average size of less than 500 nm, preferably less than 150 nm, Many research studies have shown that viable solutions can be demonstrated by using as an electrochemically active material.
体積変化に対応するために、ケイ素ドメインは、通常、ケイ素ドメインが、通常、炭素系材料であるが、場合によっては、Si系合金又はSiO2であってもよいマトリクス材料と混合されている複合粒子として用いられる。 In order to accommodate the volume change, the silicon domain is usually a composite where the silicon domain is usually mixed with a matrix material which is usually a carbon based material but may optionally be a Si based alloy or SiO 2 Used as particles.
更に、ケイ素の負の効果は、アノード上に厚い固体電解質界面(Solid−Electrolyte Interface、SEI)が形成される場合があることである。SEIは、電解質とリチウムとの複雑な反応生成物であるので、電気化学的反応に利用可能なリチウムが失われ、ひいては、サイクル性能が低下する。サイクル性能とは、充放電サイクルあたりの容量損失である。厚いSEIは、バッテリの電気抵抗を更に増大させ、それによって、達成可能な充放電速度が制限される場合がある。 Furthermore, the negative effect of silicon is that a thick Solid-Electrolyte Interface (SEI) may be formed on the anode. Since SEI is a complex reaction product of electrolyte and lithium, lithium available for the electrochemical reaction is lost, which in turn reduces cycle performance. The cycle performance is capacity loss per charge and discharge cycle. A thick SEI may further increase the battery's electrical resistance, which may limit the achievable charge and discharge rates.
理論的には、アノード材料の活性粒子にコーティング材料を載せることによってアノード活物質と電解質との間の反応を避け得ることが、米国特許第6589696号及び米国特許出願公開第2006/0134516号から知られている。 In theory, it is known from US Pat. No. 6,589,696 and US Patent Application Publication No. 2006/0134516 that the reaction between the anode active material and the electrolyte can be avoided by placing the coating material on the active particles of the anode material. It is done.
実際、これは、これら文書において、アノード材料の粒子をポリビニルアルコール(PVA)溶液と混合し、溶媒を蒸発させ、得られた生成物を熱分解してPVAを炭素に分解することによって試みられた。 In fact, this was attempted in these documents by mixing particles of anode material with a polyvinyl alcohol (PVA) solution, evaporating the solvent, and pyrolyzing the resulting product to decompose the PVA into carbon. .
しかし、これは、せいぜい部分的で不完全なコーティングを与えることしかできず、アノード材料を電解質からそれほど遮蔽しない。 However, this can provide at most a partial and imperfect coating and does not shield the anode material much from the electrolyte.
この理由は、恐らく、以下の要因のうちの1つ以上に関連している。
・完全なコーティングを形成するにはPVAの量が少なすぎた。
・開示されているプロセスでは、かなりの比率のPVAが最後までアノード活物質から少し離れており、コーティングを形成するのに利用できない。
・PVA分解の炭素収率がわずか10〜20%であり、その結果、形成中に炭素層が非常に大幅に収縮し、形成されている間に炭素層に亀裂が入ったり、コーティングされていない領域が生じたりする。
・分解生成ガスの80〜90重量%が脱離することによって、炭素への変換中に、分解されているPVA層において分解生成ガス自体でチャネルが生成され、炭素層が多孔質になり、保護能力が低下する。
The reason is probably related to one or more of the following factors:
The amount of PVA was too low to form a complete coating.
In the disclosed process, a significant proportion of the PVA is a little far from the anode active material until the end and can not be used to form a coating.
The carbon yield of PVA decomposition is only 10-20%, so that the carbon layer shrinks very much during formation and the carbon layer is cracked or uncoated during formation An area arises.
-By desorbing 80 to 90% by weight of the decomposition product gas, the decomposition product gas itself generates a channel in the PVA layer being decomposed during conversion to carbon, making the carbon layer porous and protecting The ability is reduced.
更に、PVAにおける酸素分子は、熱分解中にケイ素と反応してSiO2を形成し、それによって、ケイ素の少なくとも一部が電気化学的用途に対して不活性になると考えられる。 Furthermore, it is believed that molecular oxygen in PVA reacts with silicon during pyrolysis to form SiO 2 , thereby rendering at least a portion of the silicon inert for electrochemical applications.
負極及びそれに含有されている電気化学的活物質の当技術分野における進歩にもかかわらず、Liイオンバッテリの性能を更に最適化する能力を有する、更に優れた電極が依然として必要とされている。特に、ほとんどの用途では、改善された容量及びクーロン効率を有する負極が望ましい。 Despite advances in the art of the negative electrode and the electrochemically active material contained therein, there remains a need for further superior electrodes with the ability to further optimize the performance of Li-ion batteries. In particular, for most applications, negative electrodes with improved capacity and coulombic efficiency are desirable.
上述の及び他の問題点を低減するために、本発明は、リチウムイオンバッテリのアノードにおいて使用するための複合粉末であって、複合粉末の粒子がマトリクス中にケイ素系ドメインを含み、マトリクスが、炭素であるか又は熱処理によって炭素に変換され得る前駆体物質であり、個々のケイ素系ドメインが、
・マトリクス中に埋め込まれていないか若しくは完全には埋め込まれていない遊離ケイ素系ドメイン
・又はマトリクスによって完全に取り囲まれている、完全に埋め込まれたケイ素系ドメインのいずれかであり、
遊離ケイ素系ドメインの割合が、複合粉末中の金属又は酸化状態のSiの総量の4重量%以下であり、ケイ素系ドメインが、d50が200nm以下であり、d90が1000nm以下である重量に基づくサイズ分布を有する複合粉末に関する。
In order to reduce the above and other problems, the present invention is a composite powder for use in lithium ion battery anodes, wherein the particles of the composite powder comprise silicon based domains in a matrix, the matrix comprising A precursor material which is carbon or can be converted to carbon by heat treatment, wherein each silicon based domain is
Free silicon-based domain not embedded or completely embedded in the matrix or any completely embedded silicon-based domain completely surrounded by the matrix,
The proportion of free silicon-based domains is 4% by weight or less of the total amount of metal or oxidized Si in the composite powder, and the silicon-based domains have a d 50 of 200 nm or less and a d 90 of 1000 nm or less The present invention relates to a composite powder having a size distribution based thereon.
遊離ケイ素系ドメインは、本明細書では、マトリクス材料によって遮蔽されていないか又は完全には遮蔽されていないので、複合粉末の外側から自由に接近可能であるケイ素系ドメインと定義される。 Free silicon-based domains are herein defined as silicon-based domains that are freely accessible from the outside of the composite powder, as they are not blocked or completely blocked by the matrix material.
ケイ素系ドメインとは、マトリクスとの個々の境界を有する、主にケイ素のクラスタを意味する。このようなケイ素系ドメイン中のケイ素含有量は、通常80重量%以上、好ましくは90重量%以上である。 By silicon-based domain is meant primarily silicon clusters with individual boundaries with the matrix. The silicon content in such silicon-based domains is usually 80% by weight or more, preferably 90% by weight or more.
実際には、このようなケイ素系ドメインは、異なる材料から作製されるマトリクスにおける主にケイ素元素のクラスタ、又は個々のケイ素粒子のいずれかであってよい。複数のこのようなケイ素粒子が、ケイ素粉末である。 In practice, such silicon-based domains may either be predominantly silicon elemental clusters or individual silicon particles in a matrix made of different materials. The plurality of such silicon particles are silicon powder.
複合粉末は、言い換えれば、別々に生成されたケイ素ナノ粉末が、マトリクスとして作用する別々に生成された炭素及び/又は炭素前駆体と集塊している炭素系複合材である。この場合、ケイ素系ドメインは、ケイ素ナノ粉末から実際の個々のケイ素粒子によって形成される。 Composite powders are, in other words, carbon-based composites in which separately produced silicon nanopowders are agglomerated with separately produced carbon and / or carbon precursors acting as a matrix. In this case, the silicon-based domains are formed by the actual individual silicon particles from silicon nanopowders.
ケイ素系ドメインは、酸化ケイ素の薄い表面層を有してもよい。 The silicon based domain may have a thin surface layer of silicon oxide.
このような本発明に係る複合粉末は、ケイ素系ドメインを有する従来の複合粉末と比べてSEIを形成する傾向が非常に低くなっているので、より優れたサイクル性能を有し、大電流と共に、より使用しやすい。 Such a composite powder according to the present invention has a very low tendency to form SEI as compared to a conventional composite powder having a silicon-based domain, and therefore has better cycle performance and, along with a large current, It is easy to use.
理論に縛られるものではないが、本発明者らは、これが、Siは通常SEIにおいて重要な成分ではないにもかかわらず、従来の粉末よりも電解質とケイ素系ドメインとの間に生じ得る接触表面が少ないことに関連していると推測している。 While not being bound by theory, the present inventors believe that this is a contact surface that can occur between the electrolyte and the silicon-based domain rather than conventional powders, even though Si is not a significant component in SEI. Is presumed to be related to less.
更なる利点は、電解質の含水量に課され得る要件がそれほど厳しくないことである。これは、以下の理由による。電解質中の水は、電解質中のLiPF6と反応してHFを生成し得る。このHFは、ケイ素を腐食させることができ、それによってケイ素が失われ、電解質の導電率を低下させるLi2SiF6が形成されることにつながる。これを避けるために、電解質中の含水量は、極めて低く、多くの場合、50ppm以下で維持される。しかし、これを得るためには高価な原材料及び/又は高価な加工設備が必要になる。 A further advantage is that the requirements that can be imposed on the water content of the electrolyte are not as severe. This is due to the following reasons. Water in the electrolyte can react with LiPF 6 in the electrolyte to produce HF. This HF can corrode silicon, leading to the loss of silicon and the formation of Li 2 SiF 6, which reduces the conductivity of the electrolyte. To avoid this, the water content in the electrolyte is kept very low, often below 50 ppm. However, to obtain this requires expensive raw materials and / or expensive processing equipment.
本発明の遊離ケイ素の濃度の低い粉末では、この問題が大きく減少するので、その結果、電解質の厳しい水制限要件を緩和することができ、全体的なコストが下がる。 With the low free silicon concentration powders of the present invention, this problem is greatly reduced, as a result of which the tight water restriction requirements of the electrolyte can be relaxed and the overall cost is reduced.
好ましくは、遊離ケイ素系ドメインの割合は、複合粉末中の金属又は酸化状態のSiの総量の3重量%よりも低く、好ましくは2重量%よりも低く、より好ましくは1重量%よりも低いので、その結果、上記の利点がより高い程度に得られる。 Preferably, the proportion of free silicon-based domains is less than 3% by weight, preferably less than 2% by weight, more preferably less than 1% by weight of the total amount of Si in the metal or oxidized state in the composite powder. As a result, the above advantages are obtained to a higher degree.
好ましい実施形態では、マトリクスは、ピッチ又は熱分解されたピッチである。 In a preferred embodiment, the matrix is a pitch or a pyrolyzed pitch.
このような生成物は、バッテリにおいて優れた性能を与えることが示されている。 Such products have been shown to provide excellent performance in batteries.
好ましくは、複合粉末は、3重量%よりも少ない、より好ましくは2重量%よりも少ない、最も好ましくは1%よりも少ない酸素を含有する。 Preferably, the composite powder contains less than 3% by weight, more preferably less than 2% by weight, and most preferably less than 1% oxygen.
ケイ素系ドメインは、例えば、実質的に球形だけではなく、ウィスカー状、ロッド状、板状、繊維状及び針状などの任意の形状を有していてよい。 The silicon-based domain may have any shape, for example, not only substantially spherical but also whisker-like, rod-like, plate-like, fibrous and needle-like.
好ましい実施形態では、遊離ケイ素系ドメインの割合は、指定の時間複合粉末のサンプルをアルカリ溶液に入れ、上記の指定の時間後に、発生した水素の体積を求め、反応したケイ素1モルごとに2モルの水素が生成されることに基づいて、この量の水素が発生するのに必要なケイ素の量を計算し、計算されたケイ素の量を、サンプル中に存在する金属又は酸化状態のSiの総量で除することによって求めたときの割合である。 In a preferred embodiment, the proportion of free silicon-based domains is determined by placing a sample of the composite powder in an alkaline solution for a specified period of time and determining the volume of hydrogen generated after the specified period, 2 moles per mole of reacted silicon. The amount of silicon required to generate this amount of hydrogen is calculated based on the generation of hydrogen, and the calculated amount of silicon is the total amount of Si in the metal or oxidation state present in the sample. It is the ratio as determined by dividing by.
このような計算は、周知の理想気体の法則に基づいて当業者であれば簡単に行うことができる。 Such calculations can be easily performed by those skilled in the art based on the well-known ideal gas law.
この指定の時間は、最適には、アルカリ溶液中で、複合材の一部ではないナノケイ素粉末の反応を完全に完了させるのに必要な時間であるが、それ以上長くはない。これは、無論、選択される温度及びアルカリ溶液の濃度に依存する。これら条件を選択することによって、全ての遊離ケイ素が測定されるが、完全に埋め込まれているケイ素は不正確に測定されない。これは、より長い期間又はより過酷な条件が選択された場合、マトリクスを通じたアルカリ溶液の拡散/浸透に起因して生じることがある。 This specified time is optimally the time required to completely complete the reaction of the nanosilicon powder that is not part of the composite in alkaline solution, but not longer. This depends, of course, on the chosen temperature and the concentration of the alkaline solution. By choosing these conditions, all free silicon is measured, but not completely embedded silicon is measured imprecisely. This may occur due to the diffusion / permeation of the alkaline solution through the matrix if a longer time period or more severe conditions are selected.
指定の時間の例は、45℃の温度で1.2g/LのKOH溶液を用いて、48時間である。これら条件は、純粋なケイ素ナノ粉末の反応を完了させるのに十分であるが、必要以上に長くはないことが見出された。 An example of the designated time is 48 hours with a 1.2 g / L KOH solution at a temperature of 45 ° C. These conditions were found to be sufficient to complete the reaction of pure silicon nanopowder, but not longer than necessary.
ガスの量を測定するために、様々な容易な方法が利用可能である。特に実用的な方法は、ガスビュレットを使用することである。 Various easy methods are available to measure the amount of gas. A particularly practical method is to use a gas burette.
金属又は酸化状態のSiの総量は、多くの場合、複合材を調製するために用いられるSi含有材料の量から分かるか、あるいは、標準的な化学分析によって求めることもできる。 The total amount of Si in the metal or oxidation state is often known from the amount of Si-containing material used to prepare the composite or can be determined by standard chemical analysis.
好ましい実施形態では、ケイ素系ドメインはケイ素系粒子であり、これは、複合材を形成する前に、マトリクスとは別々に存在していた個別に識別可能な粒子であったことを意味するが、その理由は、マトリクスと一緒に形成されなかったためである。 In a preferred embodiment, the silicon-based domain is a silicon-based particle, which means that it was an individually distinguishable particle that was present separately from the matrix prior to forming the composite. The reason is that it was not formed together with the matrix.
別の好ましい実施形態では、ケイ素系粒子は、好ましくは、Si及びO以外の元素を含まないので、不可避の不純物を計算に入れなければ、ケイ素及び酸化Siからなる。 In another preferred embodiment, the silicon-based particles are preferably free of elements other than Si and O, so they consist of silicon and Si oxide, unless unavoidable impurities are taken into account.
更に好ましい実施形態では、ケイ素系ドメインは、d50が200nm以下であり、d90が1000nm以下である重量に基づくサイズ分布を有する。 In a further preferred embodiment, the silicon-based domain has a size distribution based on weight with d 50 ≦ 200 nm and d 90 ≦ 1000 nm.
更に好ましい実施形態では、比d90/d50は、10未満、より好ましくは7未満である。 In a further preferred embodiment, the ratio d 90 / d 50 is less than 10, more preferably less than 7.
d50値は、50重量%の累積アンダーサイズドメインサイズ分布に対応するケイ素系ドメインのサイズとして定義される。言い換えれば、例えば、ケイ素系ドメインのサイズのd50が93nmである場合、試験されるサンプル中のドメインの総重量の50%が93nm未満である。同様に、d90は、ドメインの総重量の90%がそれよりも小さいドメインサイズである。 The d 50 value is defined as the size of the silicon-based domain corresponding to a 50% by weight cumulative undersize domain size distribution. In other words, for example, when d 50 of silicon-based domain size is 93 nm, 50% of the total weight of the domains in the sample to be tested is less than 93 nm. Similarly, d 90 is the domain size at which 90% of the total weight of the domain is smaller.
ケイ素系ドメインが個々の遊離した粒子であるか又はあった場合、このようなサイズ分布は、これら粒子のレーザ回折によって簡単に求めることができる。当業者にとって周知であるとおり、粒度を確実に求めるために、集塊体を脱集塊させるよう特に注意しなければならない。 If the silicon-based domain is or is an individual free particle, such size distribution can be easily determined by laser diffraction of these particles. As is well known to those skilled in the art, special care must be taken to deaggregate the agglomerates in order to ensure the particle size.
ケイ素系ドメインの合成中に、ケイ素系ドメインの凝集体が形成されることがある。本発明の状況では、凝集体は構造中で互いに合体しているドメインの群であり、その構造が、たとえ分割されたとしても、部分的にしか個々のドメインに分割することができないような相互成長の程度のものと理解される。 During the synthesis of silicon-based domains, aggregates of silicon-based domains may be formed. In the context of the present invention, an aggregate is a group of domains that are united into one another in a structure, such that the structure can only be partially divided into individual domains, even if the structure is divided. It is understood as a degree of growth.
凝集体の相互成長の程度は、例えば、凝集体の形成中に、合体し、次いで一緒に成長して凝集体を形成し得る、該ドメインを形成する合成プロセスのパラメータによって影響を受け得る。したがって、凝集体の特徴とは、個々の構成ドメインに分割しようと試みたとき、ドメインの一部又は全てが破壊されることであり得る。 The degree of intergrowth of the aggregates can be influenced, for example, by the parameters of the synthesis process that forms the domain, which can coalesce and then grow together to form aggregates during the formation of the aggregates. Thus, an aggregate feature may be that some or all of the domains are destroyed when attempting to divide them into individual constituent domains.
簡単に言えば、本発明に係るドメインの定義は、ドメインが破壊されるリスクなしに分離することができないように互いに融合しているドメインの凝集体も含む。 Briefly, the definition of domains according to the invention also includes aggregates of domains that are fused together so that they can not be separated without the risk of the domain being destroyed.
また、ドメインは、ドメイン間に作用するファンデルワールス力及び他の電磁力に起因して集塊し、集塊体を形成することもある。凝集体とは対照的に、集塊体は、本発明の状況において、構成ドメインに容易に分解し得るドメインのゆるい会合にすぎないことを意味すると理解され、独立してドメインであるとは考えられない。 Also, domains may agglomerate due to van der Waals forces and other electromagnetic forces acting between the domains to form agglomerates. Conglomerates, in contrast to aggregates, are understood in the context of the present invention to be understood as meaning only loose association of domains that can be easily broken down into constituent domains, and are considered independently domains I can not.
あるいは、このようなサイズ分布は、少なくとも200個のケイ素系ドメインを測定することによって、SEM及び/又はTEM画像から光学的に求めることができる。この方法は、ケイ素系ドメインを分離することができないマトリクス中にケイ素系ドメインが存在する場合に適しているが、ケイ素系粉末のために用いることもできる。ドメインとは、SEM又はTEM画像から光学的に求めることができる最小の個々のドメインを意味することに留意すべきである。次いで、ケイ素系ドメインのサイズは、ドメインの外周における2点間の最大の測定可能な直線距離として求められる。 Alternatively, such size distribution can be determined optically from SEM and / or TEM images by measuring at least 200 silicon-based domains. This method is suitable when silicon-based domains are present in a matrix in which the silicon-based domains can not be separated, but can also be used for silicon-based powders. It should be noted that the domains mean the smallest individual domains that can be determined optically from SEM or TEM images. The size of the silicon-based domain is then determined as the largest measurable linear distance between two points at the perimeter of the domain.
このような光学的方法によって、数に基づくドメインサイズ分布が得られ、これは、周知の数式を介して重量に基づくサイズ分布に容易に変換することができる。 Such optical methods provide a number-based domain size distribution, which can be easily converted to a weight-based size distribution via well-known mathematical formulas.
本発明は、更に、複合粉末を調製する方法であって、複合粉末の粒子が、マトリクス中にケイ素系ドメインを含み、ケイ素系粒子、好ましくはナノケイ素粉末を溶融状態のマトリクス材料と、好ましくは追加の溶媒なしで混合する混合工程と、続いて、得られた混合物及び/又は得られた混合物を熱処理することによって得られた生成物のサイズ低減工程と、を含む方法に関する。 The present invention is further directed to a method of preparing a composite powder, wherein the particles of the composite powder comprise silicon-based domains in a matrix, silicon-based particles, preferably nanosilicon powder, in a molten matrix material, preferably The invention relates to a process comprising a mixing step of mixing without additional solvent, followed by a step of reducing the size of the product obtained by heat treating the mixture obtained and / or the mixture obtained.
好ましくは、溶融状態のマトリクス材料は、溶融ピッチである。 Preferably, the matrix material in the molten state is a molten pitch.
好ましくは、混合工程は、全て、溶融状態のマトリクスを用いて行われる。 Preferably, the mixing steps are all carried out with the matrix in the molten state.
好ましくは、混合工程は、押出成形機で実施される。 Preferably, the mixing step is carried out in an extruder.
この方法によって、アノードで使用するための優れた複合粉末を容易に生成することが可能になるが、それは、恐らく、マトリクス材料がケイ素系ドメインの表面全体を覆うという事実によるものである。 This method makes it possible to easily produce an excellent composite powder for use in the anode, presumably due to the fact that the matrix material covers the entire surface of the silicon-based domain.
特定の変形例では、本方法は、上に定義した本発明に係る複合粉末を調製する方法である。 In a particular variant, the method is a method of preparing a composite powder according to the invention as defined above.
本発明に係る複合粉末及び本発明に係る方法の両方において、マトリクスは、好ましくは、リチウムイオン伝導性かつ電子伝導性であるか、又は熱分解によってリチウムイオン伝導性かつ電子伝導性にすることができる前駆体物質から作製される。 In both the composite powder according to the invention and the method according to the invention, the matrix is preferably lithium ion conductive and electron conductive or may be lithium ion conductive and electron conductive by thermal decomposition The precursor material is made of
本発明は、更に、マトリクス中にケイ素系ドメインを含む複合粉末の粒子を有する複合粉末において、マトリクス中に完全には埋め込まれていないケイ素系ドメインの重量パーセントを求める方法であって、以下の工程を下記順番で含む方法に関する:
A:指定の時間、アルカリ溶液中に一定量の複合粉末を入れる工程;
B:上記の指定の時間後に、発生した水素の体積を求める工程;
C:反応したケイ素1モルごとに2モルの水素が生成されることに基づいて、この量の水素が発生するのに必要なケイ素の量を計算し、計算されたケイ素の量を、サンプル中に存在する金属又は酸化状態のSiの総量で除する工程。
The present invention further provides a method of determining the weight percentage of silicon-based domains not completely embedded in the matrix, in a composite powder having particles of the composite powder containing silicon-based domains in the matrix, the following steps: For methods that include in the following order:
A: placing a fixed amount of composite powder in an alkaline solution for a specified time;
B: a step of determining the volume of hydrogen generated after the above-mentioned designated time;
C: Calculate the amount of silicon required to generate this amount of hydrogen based on the production of 2 moles of hydrogen for each mole of silicon reacted, and calculate the amount of silicon in the sample Dividing by the total amount of metal present in the metal or in the oxidation state.
本発明は、更に、SEIの形成を制限するか又は回避するための、リチウムイオンバッテリにおける本発明に係る複合粉末の使用に関する。 The invention further relates to the use of the composite powder according to the invention in a lithium ion battery for limiting or avoiding the formation of SEI.
本発明に係る粉末の製造及び特性評価については、以下の実施例及び反例に記載する。 The preparation and characterization of the powders according to the invention are described in the following examples and counterexamples.
分析方法:
遊離ケイ素の決定
生成物の遊離ケイ素系ドメインの割合を求めるために、公知の総Si含有量を有する生成物0.1gを、45℃の1.2g/L KOH水溶液に入れた。ガスビュレットを使用して、48時間にわたって発生したガスを収集し、体積を測定したが、他のガス測定法も想定され得る。
Analysis method:
Determination of Free Silicon In order to determine the proportion of free silicon-based domains of the product, 0.1 g of product having a known total Si content was placed in a 1.2 g / L aqueous KOH solution at 45 ° C. A gas burette was used to collect the generated gas for 48 hours and measure the volume, but other gas measurement methods may be envisioned.
同じ温度でKOH溶液のみを含有する基準試験も実施した。 A baseline test was also conducted which contained only the KOH solution at the same temperature.
恐らく吸収されたガスの空気からの放出に起因する、基準試験で発生したガスの体積を、試験した生成物から発生したガスの体積から減じた。 The volume of gas generated in the baseline test, possibly due to the release of absorbed gas from air, was subtracted from the volume of gas generated from the tested product.
理想気体の法則、及びケイ素とKOHとの反応が以下の反応のうちの一方又は両方に従って進行するであろうという知見に基づいて、このようにして計算したガスの体積を、反応したケイ素の質量に変換した。以下の反応ではいずれも、ケイ素1モル当たり2モルの水素の当量を与える。
Si+KOH+5H2O→KH7SiO6+2H2
Si+2KOH+2H2O→K2H2SiO4+2H2
Based on the ideal gas law and the finding that the reaction of silicon and KOH will proceed according to one or both of the following reactions, the volume of gas thus calculated is the mass of silicon reacted: Converted to The following reactions all give an equivalent of 2 moles of hydrogen per mole of silicon.
Si + KOH + 5H 2 O → KH 7 SiO 6 + 2H 2
Si + 2 KOH + 2 H 2 O → K 2 H 2 SiO 4 + 2 H 2
遊離ケイ素系ドメインの割合を、反応したケイ素の量とサンプル中のSiの総量との比として定義した。 The percentage of free silicon based domains was defined as the ratio of the amount of silicon reacted to the total amount of Si in the sample.
酸素含有量の決定
実施例及び反例における粉末の酸素含有量を、Leco TC600酸素−窒素分析機を用いて、以下の方法によって求めた。
Determination of oxygen content The oxygen content of the powders in the examples and counterexamples was determined by the following method using a Leco TC600 oxygen-nitrogen analyzer.
粉末のサンプルを密閉したスズカプセルに入れ、そのカプセルを、ニッケルバスケットに入れた。バスケットを黒鉛るつぼに入れ、ヘリウムをキャリアガスとして2000℃を上回るまで加熱した。 A sample of powder was placed in a sealed tin capsule and the capsule placed in a nickel basket. The basket was placed in a graphite crucible and heated to above 2000 ° C. with helium as the carrier gas.
それによってサンプルが溶融し、酸素がるつぼの黒鉛と反応してCO又はCO2ガスになる。これらガスを赤外線測定セルに誘導する。観察されたシグナルを酸素含有量に再計算する。 The sample thereby melts and oxygen reacts with the graphite in the crucible to become CO or CO 2 gas. These gases are directed to an infrared measuring cell. Recalculate the observed signal to oxygen content.
電気化学的性能の決定
試験する全ての複合粉末を、45μmの篩を用いて篩い、カーボンブラック、カーボンファイバー、及び水中ナトリウムカルボキシメチルセルロース結合剤(2.5重量%)と混合した。用いた比は、複合粉末90重量部/カーボンブラック3重量部/カーボンファイバー2重量部、及びカルボキシメチルセルロース(CMC)5重量部であった。
Determination of electrochemical performance All composite powders to be tested were sieved using a 45 μm sieve and mixed with carbon black, carbon fibers and sodium carboxymethylcellulose binder in water (2.5% by weight). The ratio used was 90 parts by weight of composite powder / 3 parts by weight of carbon black / 2 parts by weight of carbon fiber and 5 parts by weight of carboxymethylcellulose (CMC).
これら成分を500rpmで10分間の2段階でPulverisette 7遊星ボールミルにおいて混合した。 The ingredients were mixed in a Pulverisette 7 planetary ball mill in two steps at 500 rpm for 10 minutes.
エタノールで清浄した銅ホイルを集電装置として用いた。混合成分の厚み125μmの層を銅ホイルにコーティングした。コーティングを50℃で真空中にて45分間乾燥させた。乾燥させたコーティングされた銅ホイルから1.27cm2の円を打ち抜き、対電極としてリチウム金属を用いてコイン電池における電極として用いた。電解質は、EC/DEC 1/1+2%VC+10%FEC溶媒に溶解している1M LiPF6であった。全てのサンプルを高精度のコイン電池試験機(Maccor 4000シリーズ)で試験した。 A copper foil cleaned with ethanol was used as a current collector. A 125 μm thick layer of mixed components was coated on copper foil. The coating was dried at 50 ° C. in vacuum for 45 minutes. A 1.27 cm 2 circle was punched out of the dried coated copper foil and used as an electrode in a coin cell using lithium metal as a counter electrode. The electrolyte was 1M LiPF 6 dissolved in EC / DEC 1/1 + 2 % VC + 10% FEC solvent. All samples were tested on a high precision coin cell tester (Maccor 4000 series).
繰り返し充放電サイクルのクーロン効率を求めた。9サイクル目のクーロン効率を報告するが、その理由は、これが、5サイクル目と100サイクル目との間の平均を代表するためである。 The coulombic efficiency of the repeated charge and discharge cycle was determined. The coulombic efficiency of the 9th cycle is reported because it represents the average between the 5th and 100th cycles.
当業者は、サイクルごとのクーロン効率の小さな変化が、バッテリが持続すると予測される何百回又は何千回の充放電サイクルにわたって、著しい累積効果を有することを承知している。 Those skilled in the art are aware that small changes in coulombic efficiency from cycle to cycle have significant cumulative effects over hundreds or thousands of charge and discharge cycles that the battery is expected to last.
ケイ素系ドメインのサイズ分布の決定
以下の方法によって、実施例1及び反例のケイ素粉末について粒度分布を求めた。
Determination of Size Distribution of Silicon-Based Domain The particle size distribution of the silicon powder of Example 1 and the counterexample was determined by the following method.
Si粉末0.5g及び脱塩水99.50gを混合し、225Wで2分間超音波プローブを用いて分散させた。 0.5 g of Si powder and 99.50 g of demineralized water were mixed and dispersed using an ultrasonic probe at 225 W for 2 minutes.
測定中超音波を用い、Siの屈折率3.5及び吸収係数0.1を用い、検出閾値が確実に5〜15%になるようにして、Malvern Mastersizer 2000においてサイズ分布を求めた。 The size distribution was determined on a Malvern Mastersizer 2000, using ultrasound during the measurement, using a refractive index of Si 3.5 and an absorption coefficient of 0.1, ensuring a detection threshold of 5-15%.
実施例及び反例の出発材料
ナノケイ素粉末は、以下のとおり調製した:
ミクロンサイズのケイ素粉末を前駆体として提供した。アルゴンプラズマを用いて、60kWラジオ波(radio frequency、RF)誘導結合プラズマ(inductively coupled plasma、ICP)を印加した。前駆体を220g/hの速度でプラズマ中に噴射した結果、全体的に(すなわち、反応ゾーンが)約2000Kを上回る温度となった。
Example and Counterexample Starting Materials Nanosilicon powder was prepared as follows:
A micron sized silicon powder was provided as a precursor. A 60 kW radio frequency (RF) inductively coupled plasma (ICP) was applied using an argon plasma. As a result of injecting the precursor into the plasma at a rate of 220 g / h, the temperature (i.e., the reaction zone) was generally above about 2000 K.
この第1のプロセス工程では、前駆体が完全に気化し、次いで、ナノケイ素粉末に核形成した。ガスの温度を1600Kを下回るまで低下させるために、反応ゾーンの直ぐ下流でアルゴン流を急冷ガスとして用いた。このようにして、金属核を形成させた。最後に、0.15モル%の酸素を含有するN2/O2混合物を100L/hで添加することによって、5分間100℃の温度で不動態化工程を実施した。 In this first process step, the precursor was completely vaporized and then nucleated into nanosilicon powder. A flow of argon was used as quench gas immediately downstream of the reaction zone to reduce the temperature of the gas to below 1600K. Thus, metal nuclei were formed. Finally, the passivation step was carried out at a temperature of 100 ° C. for 5 minutes by adding an N 2 / O 2 mixture containing 0.15 mol% of oxygen at 100 L / h.
プラズマ及び急冷ガスの両方のアルゴンガス流速を調整して、d50が80nmであり、d90が521nmである粒子を有するナノケイ素粉末を得た。この場合、2.5Nm3/hの流速のArをプラズマに用い、10Nm3/hの流速のArを急冷ガスとして用いた。 By adjusting the plasma and argon gas flow rate of both the quenching gas, d 50 is 80 nm, to obtain a Nanokei containing powder with a particle d 90 is 521 nm. In this case, using the Ar flow rate of 2.5 Nm 3 / h in the plasma, using Ar flow rate of 10 Nm 3 / h as a quench gas.
実施例1
上述のナノケイ素粉末8g及び石油系ピッチ粉末27gのブレンドを作製した。これをN2下で450℃に加熱した結果、ピッチが溶融し、60分間の待機期間後、分散ディスクを用いて30分間混合した。
Example 1
A blend of 8 grams of the above-described nanosilicon powder and 27 grams of petroleum-based pitch powder was made. It was heated to 450 ° C. under N 2 and as a result the pitch melted and after a 60 minute waiting period it was mixed for 30 minutes using the dispersion disc.
このようにして得られたピッチ中のナノケイ素の懸濁液をN2下で室温まで冷却し、粉砕した。 The suspension of nanosilicon in the pitch thus obtained was cooled to room temperature under N 2 and ground.
粉砕した混合物4.4gを、ローラーベンチで3時間黒鉛7gと混合し、その後、得られた混合物をミルに通して、集塊を崩した。 4.4 g of the milled mixture was mixed with 7 g of graphite on a roller bench for 3 hours, after which the resulting mixture was passed through a mill to break up agglomerates.
以下のとおり、粉末を熱後処理に供した:粉末を管状炉内の石英るつぼに入れ、3℃/分の加熱速度で1000℃まで加熱し、この温度で2時間維持し、次いで、冷却した。これは全てアルゴン雰囲気下で実施した。 The powder was subjected to a thermal post-treatment as follows: The powder was placed in a quartz crucible in a tubular furnace, heated to 1000 ° C. at a heating rate of 3 ° C./min, maintained at this temperature for 2 hours and then cooled . All this was done under an argon atmosphere.
焼成された生成物を微粉砕して複合粉末を形成し、400メッシュの篩で篩った。 The calcined product was milled to form a composite powder and sieved through a 400 mesh sieve.
実施例2
上述のナノケイ素粉末500g及び石油系ピッチ粉末600gのブレンドを作製した。
Example 2
A blend of 500 grams of the above-described nanosilicon powder and 600 grams of petroleum-based pitch powder was made.
ブレンドを、二軸を備えるHaake process 11押出成形機に供給し、これを、軸を150rpmの回転速度で動作させながら400℃に加熱した。押出成形機内の滞留時間は、30分間であった。 The blend was fed to a Haake process 11 extruder with two axes, which was heated to 400 ° C. while the axis was operating at a rotational speed of 150 rpm. The residence time in the extruder was 30 minutes.
得られた押出物を50℃未満まで冷却した。得られた押出物は、視覚的に、均質なナノケイ素/ピッチ複合材であるように見えた。 The resulting extrudate was cooled to less than 50.degree. The resulting extrudate appeared visually to be a homogeneous nanosilicon / pitch composite.
押出成形機の注入口及び押出物が回収されるガラス容器を、N2でフラッシングすることによって周囲空気から分離した。 The glass vessel inlet and the extrudate extruder is recovered and isolated from the ambient air by flushing with N 2.
冷却された押出物を、22:84の重量比で黒鉛粉末と混合し、ローラーベンチで2時間粉砕し、その後、得られた混合物をミルに通して集塊を崩した。 The cooled extrudates were mixed with the graphite powder in a weight ratio of 22:84 and milled on a roller bench for 2 hours after which the resulting mixture was passed through a mill to break up agglomerates.
熱後処理、微粉砕、及び篩分を実施例1と同様に実施した。 Thermal post-treatment, milling and sieving were carried out as in Example 1.
反例1
上述のナノケイ素粉末1g及びピッチ3.37g及び黒鉛7gのブレンドを作製し、ローラーベンチで3時間混合し、その後、得られた混合物をミルに通して、集塊を崩した。
Counterexample 1
A blend of 1 g of the above-described nanosilicon powder and 3.37 g of pitch and 7 g of graphite was prepared and mixed on a roller bench for 3 hours, after which the resulting mixture was passed through a mill to break up agglomerates.
上記の工程は、ピッチが溶融しないように室温で実施した。 The above steps were performed at room temperature to prevent the pitch from melting.
熱後処理、微粉砕、及び篩分を実施例1と同様に実施した。 Thermal post-treatment, milling and sieving were carried out as in Example 1.
反例2
上述のナノケイ素粉末1g及びピッチ3.37g及び黒鉛7gのブレンドを作製した。このブレンドに、THF 10mLを添加し、これをローラーベンチで16時間混合した。
Counterexample 2
A blend of 1 g of the above-described nanosilicon powder and 3.37 g of pitch and 7 g of graphite was prepared. To this blend, 10 mL of THF was added and this was mixed on a roller bench for 16 hours.
これは、ピッチが溶融しないように室温で実施した。 This was done at room temperature so that the pitch did not melt.
混合物を75℃及び圧力30mBarでロータリーエバポレータにて乾燥させ、その後、得られた混合物をミルに通して集塊を崩した。 The mixture is dried on a rotary evaporator at 75 ° C. and a pressure of 30 mBar, after which the mixture obtained is passed through a mill to break up agglomerates.
熱後処理、微粉砕、及び篩分を実施例1と同様に実施した。 Thermal post-treatment, milling and sieving were carried out as in Example 1.
反例3
ロータリーエバポレータにおける混合物の乾燥工程を、乾燥ガスとして窒素を用い、110℃の排気温度での噴霧乾燥工程に置き換えたことを除いて、反例2と同じ手順に従った。
Counterexample 3
The same procedure as in Counterexample 2 was followed, except that the drying of the mixture in the rotary evaporator was replaced by a spray drying at an exhaust temperature of 110 ° C., using nitrogen as the drying gas.
結果
実施例1及び反例から得られた生成物の総Si含有量は、化学分析によって9.5+/−0.5%と測定された。
Results The total Si content of the product obtained from Example 1 and the counterexample was determined to be 9.5 +/- 0.5% by chemical analysis.
実施例2から得られた生成物の総Si含有量は、化学分析によって10+/−0.5%と測定された。 The total Si content of the product obtained from Example 2 was determined by chemical analysis to be 10 +/- 0.5%.
全ての生成物の遊離ケイ素含有量、酸素含有量、及び電気化学的性能を、上に説明したとおり測定した。結果を表1に報告する。 The free silicon content, oxygen content, and electrochemical performance of all products were measured as described above. The results are reported in Table 1.
特定の測定条件では、0.3%遊離ケイ素が検出限界であったことに留意すべきである。この検出限界は、サンプルサイズを増大させることによって、及び/又は発生したガスの測定限界を低下させることによって、当業者によって低下させることができる。 It should be noted that under certain measurement conditions, 0.3% free silicon was the detection limit. This detection limit can be lowered by the person skilled in the art by increasing the sample size and / or by lowering the measurement limit of the generated gas.
測定された遊離ケイ素含有量の低い生成物から、はるかに優れたクーロン効率が得られることが分かり、これは、アノードとしてこのような粉末を用いるバッテリのより優れたサイクル性能につながる。 It can be seen from the measured low free silicon content product that a much better coulombic efficiency is obtained, which leads to the better cycling performance of batteries using such powders as anode.
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